Quá trình chuyển hóa nitơ trong không khí năm 2024

Quá trình Nitrat hóa là quá trình oxy hoá Amonia (NH3) thành Nitrate (NO3–) với sản phẩm trung gian là Nitrite (NO2–). Quá trình Nitrat hóa là một bước quan trọng để khởi động chu trình chuyển hóa Nitơ.

Nitơ tồn tại ở 2 dạng chính là Nitơ vô cơ ( bao gồm amonia, nitrate, nitrite) và Nitơ hữu cơ (axit amin, protein, chitin, axit nucleic,…). Nhưng dạng Nitơ vô cơ chiếm phần lớn và dưới dạng Amonia (NH3). Nếu hợp chất Nitơ hữu cơ (urê và phân) thì quá trình thủy phân sẽ chuyển hóa thành Amonia theo phương trình chuyển hóa dưới đây:

CO(NH2)2 + H2O → 2NH3 + CO2

NH3 + H2O → NH4+ + OH–

Quá trình Nitrate hóa sẽ chuyển hóa Amonia về dạng Nitrite và Nitrate. Quá trình này rất quan trọng trong chu trình Nitơ.

Vi khuẩn Nitrosomonas

Chủng vi khuẩn Nitrosomonas này tỏ ra khá hữu hiệu trong việc chuyển hóa Amonia về dạng Nitrite.

Vi khuẩn Nitrosomonas là một chi của vi khuẩn Chemoautotrophic hình que Gram âm. Sinh vật này oxy hóa Amonia thành Nitrite như một quá trình trao đổi chất.

Nitrosomonas phải tiêu thụ một lượng lớn Amonia trước khi phân chia tế bào có thể xảy ra. Quá trình phân chia tế bào có thể mất đến vài ngày. Dưới đây là phản ứng Amonia chuyển hóa về Nitrit:

2NH4+ + 3O2 → 2NO2– + 4H+ + 2H2O

Vi khuẩn Nitrobacter

Nitrit là sản phẩm trung gian của quá trình Nitrat hóa. Để hoàn thành quá trình này cần vi khuẩn Nitrobacter để chuyển hóa từ Nitrite (NO2–) về Nitrate (NO3–).

Đặc điểm của vi khuẩn Nitrobacter là một chi bao gồm các vi khuẩn hình que, gram âm và hóa dưỡng. Chúng sinh sản bằng hình thức tự nhân đôi. Vi khuẩn Nitrobacter là các sinh vật hiếu khí bắt buộc.

Vi khuẩn Nitrobacter đóng một vai trò quan trọng trong chu trình Nitơ bằng cách oxy hóa nitrit thành Nitrat trong hệ thống xử lý nước thải. Vi khuẩn Nitrobacter sử dụng năng lượng từ quá trình oxy hóa các ion Nitrite (NO2–), thành ion Nitrat, (NO3–), để đáp ứng nhu cầu năng lượng của chúng.

2NO2– + H2O → NO3– + 2H+ + 2e−

2H+ + 2e− + 1,5O2 → H2O

2. Quá trình phản nitrate hóa

Quá trình phản Nitrat hoá còn gọi là quá trình khử Nitrat. Quá trình phản Nitrat hoá là quá trình chuyển hoá N-NO3– thành khí Nitơ tự do nhờ vi sinh vật. Vi khuẩn tham gia thực hiện quá trình này được gọi là vi khuẩn phản Nitrat hoá. Đặc biệt trong môi trường yếm khí quá trình này diễn ra mạnh mẽ.

Quá trình phản Nitrat hóa diễn ra thông qua một loạt các phản ứng gồm:

NO3– + 2H+ + 2e- → NO2– + H2O NO2– + 2H+ + e- → NO + H2O 2NO + 2H+ + 2e- → N2O + H2O N2O + 2H+ + 2e- → N2 + H2O

Phản ứng tổng thể có thể được biểu diễn như sau:

2NO3– + 10e- + 12H+ → N2 + 6H2O

Quá trình này chủ yếu được thực hiện bởi vi khuẩn dị dưỡng như Paracoccus denitrificans và một số loài Pseudomonas. Đồng thời, một số vi khuẩn khử Nitơ tự dưỡng như Thiobacillus denitrificans cũng tham gia vào quá trình này.

Câu 566533: Hình dưới đây mô tả chu trình chuyển hóa nitơ trong tự nhiên. Các quá trình chuyển hóa nitơ được kí hiệu từ 1 đến 6.

Có bao nhiêu phát biểu sau đúng?

9. Quá trình 1 là kết quả của mối quan hệ cộng sinh giữa vi khuẩn và thực vật.

II. Quá trình 2 và 4 đều có sự tham gia của sinh vật phân giải.

III. Quá trình 5 có sự tham gia của 3 nhóm vi khuẩn: vi khuẩn nitrit hóa, vi khuẩn nitrat hóa và vi khuẩn cố định nitơ trong đất.

VietTimes – Các nhà khoa học Pháp sáng tạo một phương pháp mới, sử dụng các hợp chất gốc boron hoạt tính cao chuyển đổi khí nitơ trong không khí thành amoniac ở nhiệt độ phòng, tiết kiệm năng lượng và thân thiện môi trường.

Phản ứng hóa học, Ảnh minh hoa SciTech Daily

Amoniac là một trong những hóa chất được sản xuất nhiều nhất trên toàn thế giới. Hợp chất này là thành phần thiết yếu của phân bón, cung cấp nitơ cho cây trồng. Không có phân bón gốc nitơ, không thể cung cấp đủ lương thực cho dân số thế giới ngày càng tăng.

Hiện nay, 150 triệu tấn amoniac được sản xuất trên toàn thế giới; con số này dự kiến ​​sẽ tăng hơn gấp đôi vào năm 2050. Amoniac cũng là một nguyên liệu đầy hứa hẹn làm nhiên liệu vận tải. Amoniac là ứng viên hàng đầu có khả năng lưu trữ năng lượng trong nền kinh tế hydro khi khí hydro được sử dụng trong các pin nhiên liệu.

Cho đến nay, các phương pháp vi sinh cố định đạm là phương pháp nhẹ nhàng hơn, được đề xuất thay thế cho quy trình Haber–Bosch bằng cách sử dụng các enzym nitrogenase, nhưng quá trình này diễn ra chậm và không phù hợp với công nghiệp hóa.

Sản xuất công nghiệp amoniac sử dụng quy trình Haber–Bosch, trong đó hydro và nitơ phản ứng ở nhiệt độ và áp suất cao trên chất xúc tác kim loại. Quá trình này sử dụng khí tự nhiên làm nguyên liệu thô, sử dụng nhiều điện năng và khí hydro, xả lượng khí thải CO2 lớn, khoảng 1,9 tấn CO2 trên mỗi tấn amoniac. Quá trình Haber–Bosch đóng góp 1,4 % lượng khí thải CO2 của thế giới và chỉ có thể được vận hành một cách kinh tế ở những đơn vị lớn, thâm dụng vốn.

Nitơ chiếm 77% trong không khí, về lý thuyết, nguồn nitơ gần như vô tận để tổng hợp amoniac. Nhưng trong thực tế, nitơ chỉ phản ứng rất chậm với những nguyên tố khác. Trong quy trình Haber–Bosch, được phát triển hơn 100 năm trước, các chất xúc tác kim loại thúc đẩy nhanh phản ứng chậm chạp này. Chất xúc tác kim loại nặng kích hoạt nitơ phản ứng với hydro dưới áp suất và nhiệt độ cao để tạo ra amoniac.

Một nhóm nhà khoa học Pháp đã công bố một phương pháp mới, sản xuất amoniac trên tạp chí Angewandte Chemie.

Phương pháp này, sử dụng các hợp chất gốc boron (boron, một khoáng chất tự nhiên bền vững) có tính năng phản ứng hóa học cao để chuyển đổi nitơ trong khí quyển thành amoni clorua hiệu quả sau khi bổ sung axit . Quá trình chuyển đổi này diễn ra trong dung dịch ở nhiệt độ phòng và không cần sử dụng kim loại hoặc khí hydro.

Tổng hợp amoni clorua để sản xuất amoniac nhẹ, Ảnh: © Wiley-VCH, Angewandte Chemie

Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu là GS TS Nicolas Mézailles thuộc Đại học Paul Sabatier, CNRS,ở Toulouse, Pháp phát hiện được các hợp chất gốc boron hoạt tính cao, có thể tác động và kích hoạt các nitơ phân tử rất hiệu quả. Nhóm nghiên cứu giải thích suy luận ban đầu: “Chúng tôi đã xem xét và lập luận rằng, sử dụng các gốc năng lượng cao có thể tạo ra một con đường thuận lợi trên cơ sở động học và nhiệt động học để chức năng hóa nitơ.”

Những tính toán lý thuyết của nhóm cho thấy, các gốc boron tự do được xác định là những ứng viên phù hợp. Các nhà khoa học tạo ra các gốc boron tự do bằng phương pháp thêm một chất khử mạnh vào những halogenua boron hữu cơ. Những hợp chất thu được có khả năng phản ứng cao, cho phép chuyển đổi nitơ phân tử trong không khí ở nhiệt độ phòng thành borylamine, sau đó phản ứng với axit trong nước để tạo ra amoni clorua, phân hủy khi gia nhiệt thành amoniac.

Nhóm nghiên cứu của GS Mézailles đã đưa ra phương pháp mới cố định nitơ trong dung dịch bằng giải pháp sử dụng các hợp chất gốc. Các nhà khoa học trong thí nghiệm xác định được, những gốc boron tự do được tạo ra phá vỡ hiệu quả liên kết ba ổn định trong phân tử nitơ, giúp phân tử nitơ có thể thực hiện các phản ứng kết hợp trong điều kiện ôn hòa. Phương pháp tiếp cận trên cơ sở này đã mở ra những khả năng sản xuất amoniac sạch, không phụ thuộc vào nguyên liệu thô hóa thạch.